不同玉米品种对土壤镉富集和转运的差异性

邓 婷，吴家龙，卢维盛*，官以战，李贵杰，张秋华，俞方玉，曾祖蕾

（1.华南农业大学资源环境学院，广州 510642；2.广东精地规划科技有限公司，广州 510630；3.韶关市曲江区农科所，广东 韶关512100）

我国局部地区耕地土壤重金属污染严重[1]，其中Cd的污染比较常见。Cd具有较强的生物迁移性和毒性[2]，容易被作物吸收和累积，进而通过食物链危害人体健康[3]。玉米（Zea mays）是我国最重要的粮食作物之一，品种资源丰富，具有生物量大、生长周期短、易种植和易管理等优点[4-5]。研究表明不同玉米品种对Cd的吸收和富集能力具有显著的差异[6-8]，其中有些品种玉米对Cd的富集能力较强，在Cd污染土壤重金属修复上具有较大的潜力[3，9-10]。因此，一方面可以通过筛选Cd低积累品种，收获符合食品卫生标准的可食用部分，保证粮食安全[11]；另一方面，筛选出的Cd高积累品种玉米可以作为植物修复资源加以利用。邓婷[12]通过盆栽试验从11个玉米品种中分别筛选出了Cd高积累品种（华彩糯3号和广红糯8号）和低积累品种（粤彩糯2号、广紫糯6号和仲糯1号）；有报道[13]指出华玉8号也是玉米Cd低积累品种。本试验选取以上2个高积累品种和4个低积累品种，在Cd污染农田进行试验，通过研究不同玉米品种抽丝期和成熟期不同器官对Cd的累积和转运差异，进一步验证其对Cd高、低累积的潜力，为Cd污染耕地的安全利用和植物修复提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验位于广东省韶关市曲江区马坝镇。供试土壤为水稻土，其理化性质为:pH 5.36±0.08，有机质31.76±0.33 g·kg-1，碱解氮94.5±1.10 mg·kg-1，速效磷81.02±0.33 mg·kg-1，速效钾187.7±0.80 mg·kg-1，Cd全量2.2±0.06 mg·kg-1。供试玉米为2个高积累品种（华彩糯3号和广红糯8号）和4个低积累品种（仲糯1号、粤彩糯2号、华玉8号和广紫糯6号）。其中，华彩糯3号和华玉8号由华南农业大学选育，粤彩糯2号由广东省农业科学院选育，广红糯8号和广紫糯6号由广州市农业科学研究院选育，仲糯1号由仲恺农业工程学院选育。

1.2 试验设计

试验共6个处理（6个玉米品种），每个处理设4次重复，共计24个小区，随机区组排列。试验小区规格为长24 m，宽0.5 m，面积12 m2，每个小区种植两行玉米，行间距50 cm，株距30 cm。试验地四周设置保护行以消除边际效应。每穴播2粒玉米种子，使种子入土2～3 cm，保持播种深度一致；玉米长出3片叶时进行间苗，每穴留1株，每个小区20株；作物生长期间按大田常规操作进行灌溉和施肥，播种前施复合肥（15-15-15）做基肥（施用量600 kg·hm-2），拔节期追施尿素（施用量300 kg·hm-2）。2015年8月播种，分别于10月玉米抽丝期和11月玉米成熟期取样并收获。

1.3 样品采集与测定

抽丝期和成熟期时，分别在每个小区随机取5株玉米，分根、茎叶和籽粒（成熟期收获），依次用自来水、蒸馏水和高纯水清洗后，在105℃干燥箱杀青30 min，并在70℃烘干至恒质量后，测定干质量。玉米去包衣后脱粒。分别将根、茎叶和籽粒粉碎，过100目尼龙筛备用。土壤基本性质参照《土壤农化分析（第三版）》[14]中的方法测定。土壤全Cd采用HCl-HNO3-HF-HClO4消解，具体参照《土壤质量 铅、镉的测定 石墨炉原子吸收分光光度法》（GB/T 17141—1997）。植株样品总Cd测定参照《食品安全国家标准 食品中镉的测定》（GB 5009.15—2014），采用HNO3-HClO4（4∶1）消化。土壤和植株待测液中的Cd均用原子吸收分光光度法（HITACHI-Z2300）测定。土壤、植物测定过程均采用国家标准参比物质（土壤:GBW07405；植物:GBW10015）进行质量控制，标准样品测定结果均在允许范围内。

1.4 Cd积累量、富集系数和转运系数

玉米各器官Cd积累量=各器官干物质量×各器官Cd含量

茎叶、根对Cd的富集系数=茎叶、根中Cd含量/土壤Cd含量[15]

籽粒对Cd的富集系数=籽粒中Cd含量/土壤Cd含量

茎叶对Cd的转运系数=茎叶中Cd含量/根系中Cd含量

籽粒对Cd的转运系数=籽粒中Cd含量/茎叶中Cd含量[8]

1.5 数据处理与分析

采用Excel 2003进行数据整理，图表中数据均为平均值±标准误（Mean±Standard error）。运用SPSS 23.0统计软件进行方差分析，并利用新复极差法（Duncan法）进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同玉米品种的生物量、Cd含量和Cd积累量

抽丝期和成熟期不同品种玉米各器官生物量、Cd含量等如表1所示。抽丝期茎叶干质量为26.29～51.95 g·株-1，根部干质量为7.22～13.85 g·株-1；华玉8号玉米茎叶干质量显著高于其他玉米品种（P＜0.05）；仲糯1号、粤彩糯2号和华彩糯3号玉米茎叶干质量显著高于广紫糯6号和广红糯8号；华彩糯3号和华玉8号玉米根部干质量显著高于其他品种，分别为13.85 g·株-1和13.05 g·株-1，其他4个品种玉米根干质量均在8 g·株-1左右。成熟期茎叶干质量为34.50～76.26 g·株-1，根部干质量为4.79～11.85 g·株-1，籽粒干质量为44.59～60.26 g·株-1；粤彩糯2号、华彩糯3号、华玉8号玉米茎叶干质量显著高于仲糯1号、广紫糯6号、广红糯8号；华玉8号玉米根部的干质量显著高于其他品种；仲糯1号玉米的籽粒干质量显著高于华彩糯3号和广红糯8号，华彩糯3号玉米籽粒干质量最低。

抽丝期不同品种玉米茎叶Cd含量为2.63～13.12 mg·kg-1，根部Cd含量为5.96～12.03 mg·kg-1；华彩糯3号和广红糯8号玉米茎叶Cd含量显著高于其他品种，分别达13.12 mg·kg-1和12.10 mg·kg-1；仲糯1号、粤彩糯2号、华玉8号、广紫糯6号玉米茎叶Cd含量差异不显著；华玉8号和仲糯1号玉米根Cd含量最大，显著高于广紫糯6号和广红糯8号，仲糯1号、粤彩糯2号、华彩糯3号、华玉8号玉米的根Cd含量之间无显著差异；可以看出，广红糯8号玉米茎叶Cd含量高，根含量低，相反，华玉8号和仲糯1号茎叶Cd含量低，而根含量高。成熟期茎叶Cd含量为3.07～16.38 mg·kg-1，根部Cd含量为4.71～12.33 mg·kg-1，籽粒Cd含量为0.07～0.65 mg·kg-1；成熟期华彩糯3号和广红糯8号玉米各器官Cd含量大小为茎叶＞根＞籽粒，而仲糯1号、粤彩糯2号、广紫糯6号、华玉8号则为根＞茎叶＞籽粒；华彩糯3号和广红糯8号玉米茎叶Cd含量分别为16.38 mg·kg-1和13.64 mg·kg-1，显著高于其他4个品种，其中华玉8号玉米茎叶Cd含量最小；华玉8号玉米的根部Cd含量（12.33 mg·kg-1）显著高于其他5个品种；仲糯1号、粤彩糯2号和华彩糯3号之间无显著差异，广红糯8号玉米根部Cd含量最低；华彩糯3号和广红糯8号玉米的籽粒Cd含量最高，分别为0.65 mg·kg-1和0.63 mg·kg-1，显著高于其他4个品种；仲糯1号、粤彩糯2号、华玉8号和广紫糯6号玉米籽粒Cd含量均在0.2 mg·kg-1以下，仲糯1号玉米籽粒Cd含量最低，仅0.07 mg·kg-1。

抽丝期不同品种玉米茎叶和根部Cd积累量分别为 0.087～0.598 mg·株-1和 0.046～0.159 mg·株-1；华彩糯3号和广红糯8号玉米茎叶Cd积累量显著高于其他品种，且华彩糯3号显著高于广红糯8号；华玉8号玉米根部Cd积累量最大，显著高于仲糯1号、粤彩糯2号、广紫糯6号、广红糯8号，其次是华彩糯3号，显著高于粤彩糯2号、广紫糯6号、广红糯8号玉米；华彩糯3号和广红糯8号品种玉米茎叶Cd积累量分别比其根部高342.62%和659.06%，说明这两个品种玉米在抽丝期吸收的Cd主要积累在茎叶，而仲糯1号、粤彩糯2号、华玉8号和广紫糯6号玉米茎叶和根部Cd积累量差异不明显。成熟期茎叶、根部和籽粒Cd积累量分别为 0.142～1.103、0.022～0.143 mg·株-1和0.004～0.028 mg·株-1；华彩糯3号玉米茎叶Cd积累量显著高于其他5个品种，广紫糯6号玉米茎叶Cd积累量最低；华玉8号玉米根部Cd积累量最高，显著高于其他品种，广红糯8号玉米的根部Cd积累量最低；华彩糯3号和广红糯8号玉米籽粒Cd积累量显著高于其他4个品种玉米，仲糯1号、粤彩糯2号、华玉8号、广紫糯6号玉米籽粒的Cd积累量均在0.01 mg·株-1以下，其中最低的是仲糯1号玉米；相比于根部和籽粒，几乎所有品种玉米在茎叶的Cd积累量均为最高。

表1 抽丝期和成熟期不同品种玉米的干质量、Cd含量和积累量Table 1 The dry weight，Cd concentration and accumulation of Zey mays cultivars in silking and maturity stage

2.2 不同品种玉米对Cd的富集系数和转运系数

抽丝期不同品种玉米茎叶对Cd的富集系数和转运系数如图1所示。不同品种玉米茎叶的富集系数为1.20～5.96，其中，华彩糯3号和广红糯8号玉米植株对Cd的富集系数分别为5.96和5.50，显著高于其他4个品种（P＜0.05）；仲糯1号、粤彩糯2号、华玉8号、广紫糯6号玉米茎叶对Cd的富集系数在1～2之间。不同玉米品种对Cd的转运系数为0.25～2.74，其中，广红糯8号玉米茎叶对Cd的转运系数最大，显著高于仲糯1号、粤彩糯2号、华玉8号、广紫糯6号，华彩糯3号其次，为1.40。抽丝期不同品种玉米根对Cd的富集系数在2.70～5.47之间（图2），其中华玉8号显著高于广红糯8号。

图1 抽丝期不同品种玉米茎叶对Cd的富集系数和转运系数Figure 1 Stem and leaf BCF and TF of Zea mays cultivars in silking stage

成熟期不同品种玉米茎叶对Cd的富集系数为1.39～7.45（图3）。华彩糯3号和广红糯8号玉米茎叶的富集系数显著高于其他4个品种（P＜0.05），均达到6以上；仲糯1号、粤彩糯2号、华玉8号、广紫糯6号玉米茎叶对Cd的富集系数在2左右。不同品种玉米茎叶对Cd的转移系数范围为0.27～3.02，华彩糯3号和广红糯8号玉米茎叶的转移系数显著高于其他4个品种（P＜0.05，图3），且广红糯8号显著高于华彩糯3号。成熟期不同品种玉米根对Cd的富集系数为2.14～5.60（图4），华玉8号最高且显著高于其他5个品种（P＜0.05），广红糯8号和广紫糯6号最低。

图2 抽丝期不同品种玉米根对Cd的富集系数Figure 2 Root BCF of Zea mays cultivars in silking stage

图3 成熟期不同品种玉米茎叶对Cd的富集系数和转运系数Figure 3 Stem and leaf BCF and TF of Zea mays cultivars in maturity stage

图4 成熟期不同品种玉米根对Cd的富集系数Figure 4 Root BCF of Zea mays cultivars in maturity stage

图5 成熟期不同品种玉米籽粒对Cd的富集系数和转运系数Figure 5 Seeds BCF and TF of Zea mays cultivars in maturity stage

如图5所示，华彩糯3号和广红糯8号玉米籽粒的富集系数分别为0.296和0.286，显著高于其他4个品种（P＜0.05）。仲糯1号、粤彩糯2号、华玉8号、广紫糯6号玉米籽粒对Cd的富集系数均在0.1以下。不同品种玉米籽粒对Cd的转移系数范围为0.016～0.056。华玉8号玉米籽粒对Cd的转移系数最高，显著高于仲糯1号（P＜0.05）。

3 讨论

植物提取是目前研究最多、最具前景的重金属污染土壤的修复途径，筛选超富集植物是修复重金属污染土壤的关键[16]。目前被证实的超富集植物因其生物量小、生长慢、根系浅、环境适应性差等问题，导致在实际应用中存在一定的局限性[17-18]。玉米是我国重要的农作物，具有分布广、品种资源丰富、生长快、生物量大的特点。本研究的供试玉米品种均是广东省选育的本地品种，具有良好的区域适应性。

与常规Cd修复植物不同，玉米不仅具有吸收和积累重金属的能力而适于作为生物修复资源加以发掘和利用，同时玉米还是重要的粮食作物，需注意防范食品安全的风险。当玉米籽粒Cd含量超过国家饲料卫生标准（GB 13078—2017，≤0.5 mg·kg-1）时，建议将其作为修复植物在抽丝期收获植株并加以回收集中处理，同时可有效缩短种植周期，增加种植次数以加快土壤修复的进度；当玉米籽粒符合国家饲料卫生标准（GB 13078—2017）时，可以考虑在成熟期收获玉米籽粒和植株，玉米籽粒可作饲料，其他部位可作为修复部分并加以回收集中处理，达到“边生产，边修复”的效果[19]。

目前，尚无明确的标准来对Cd高、低富集玉米品种进行区分和界定，尤其是Cd低富集品种。作物对重金属的吸收能力大小主要由作物本身的遗传因素和外界的环境条件决定[20-21]。本研究供试玉米的环境条件一致，因此，玉米对Cd的吸收能力大小由其本身遗传特征决定。通常认为低积累植物对重金属的排斥机制包括两个方面，一是减少根部对重金属的吸收，二是重金属在根部通过区室化保存，限制向地上部转移[22]。Cd低富集玉米品种能降低结合于细胞壁或者液泡的Cd活性，使其移动性变差，上一器官对Cd的这种钝化或者“拦截”能力限制了Cd向下一器官的转移和积累；相比Cd低富集玉米品种，Cd高富集玉米品种这种钝化和拦截的能力较弱。此外，目前玉米品种的选育多是以玉米的产量、品质以及抗性等为指标，建议今后玉米品种选育可增加考虑重金属低积累品种的选育，同时也注意发掘可用于Cd污染修复的玉米品种，对于玉米的安全生产和重金属污染土壤的修复将具有重要的现实意义。

利用不同品种对Cd吸收积累的差异性筛选出符合食品卫生标准的低积累玉米品种，对保证粮食安全至关重要。郭晓芳等[6]通过田间试验，根据玉米籽粒生物量、籽粒重金属含量以及重金属转运系数进行综合评价，发现灵丹20和正丹958可作为广东地区冬季种植的重金属低积累品种。吴传星[11]通过田间试验发现川单428是Cd低累积品种。辛艳卫等[8]通过田间试验筛选出的玉米籽粒Cd低积累品种，其籽粒的Cd平均含量为0.069 mg·kg-1。本研究供试的6个玉米品种中，仲糯1号玉米籽粒Cd含量为0.07 mg·kg-1符合食品安全国家标准（GB 2762—2017，≤0.1 mg·kg-1），是Cd低积累玉米，可在镉污染土壤进行安全生产；粤彩糯2号、华玉8号和广紫糯6号玉米籽粒符合国家饲料卫生标准（GB 13078—2017，≤0.5 mg·kg-1），可以用作饲料；华彩糯3号和广红糯8号玉米籽粒Cd含量超出了国家饲料卫生标准限值（GB 13078—2017），不能用作饲料，要注意其食品安全的风险。此外，本研究玉米籽粒Cd的转运系数远低于杜彩艳等[23]、郭晓芳等[6]和辛艳卫等[8]的研究报道，可能与土壤和玉米茎叶中Cd含量较高有关。

对于植物修复来说，富集系数要比单纯植物地上部重金属含量更为重要[24]。本研究表明，在成熟期，华彩糯3号和广红糯8号玉米茎叶Cd的富集系数（分别为7.45和6.20）和转运系数（分别为1.88和3.02）远高于目前文献的报道:辛艳卫等[8]研究了18个玉米品种在土壤外加全Cd含量为5.0 mg·kg-1条件下对Cd的富集和转运差异，玉米茎叶的Cd富集系数和转移系数分别为0.068～0.902和0.19～0.83；陈建军等[9]通过田间实验，研究了25个玉米品种在土壤外加全Cd含量为50 mg·kg-1条件下对Cd积累和转运的差异，发现玉米茎叶的Cd富集系数和转移系数分别为0.063～0.899和0.038～0.554；徐稳定[19]研究发现超甜38玉米的Cd富集系数和转移系数分别为3.84～4.98和0.12～0.16；袁林等[25]研究发现供试的9种玉米的Cd富集系数和转移系数分别为1.16～1.76和0.268～0.902；Yang等[26]发现不同品种玉米地上部Cd富集和转运系数的范围分别为 0.12～1.04 和 0.04～0.45；Retamal-Salgado等[27]调查发现智利不同品种玉米的Cd富集系数和转运系数分别为0.20～1.20和0.57～11.82。综上，本研究中的华彩糯3号和广红糯8号具有较高的Cd富集和转运能力。除此之外，筛选用于土壤重金属修复的植物，单株生物量是应重点考虑的内容之一[28]。本研究中的华彩糯3号成熟期玉米茎叶干质量为67.03 g·株-1，其玉米茎叶Cd的单株积累量为1.103 mg，按玉米种植密度60 000株·hm-2计算，一季可以去除约66 g·hm-2的Cd，一年可以种植2～3季，一共可以去除Cd约 132～198 g·hm-2。龙新宪等[29]研究发现当土壤 Cd含量为400 mg·kg-1时，矿山生态型东南景天对Cd的富集量为1.74 g·株-1，但当土壤Cd含量为12.5 mg·kg-1时，富集量仅为 0.32 mg·株-1；李凝玉等[30]发现当土壤Cd含量为16 mg·kg-1时，籽粒苋的Cd含量在100 mg·kg-1以上，但其生物量仅为0.40～0.50 g·株-1，因此，Cd富集量为0.04～0.050 mg·株-1，均低于华彩糯3号和广红糯8号。相比之下，华彩糯3号和广红糯8号玉米具有一定的Cd污染土壤修复潜力。

4 结论

华彩糯3号和广红糯8号可作为Cd高积累玉米品种，但其籽粒Cd含量超出国家食品卫生标准和饲料卫生标准，不可用作粮食或饲料。仲糯1号可作为Cd低积累玉米品种，可用作粮食或饲料。